沖壓加工

展開

沖壓加工是借助於常規或專用沖壓設備的動力，使板料在模具裡直接受到變形力並進行變形，從而獲得一定形狀,尺寸和性能的產品零件的生產技術。板料，模具和設備是沖壓加工的三要素。沖壓加工是一種金屬冷變形加工方法。所以，被稱之為冷沖壓或板料沖壓，簡稱沖壓。它是金屬塑性加工（或壓力加工）的主要方法之一，也隸屬於材料成型工程技術。

編輯本段沖壓加工分類

　　生產中為滿足沖壓零件形狀、尺寸、精度、批量、原材料性能等方面的要求，采用多種多樣的沖壓加工方法。概括起來沖壓加工可以分為分離工序與成形工序兩大類。 1. 分離工序：是在沖壓過程中使沖壓件與板料沿一定的輪廓線相互分離的工序。 　　如表1-1所示。 　　表1-1 分離工序 　　

工序名稱	簡 圖	工序特征	應用范圍
落料		用模具沿封閉線沖切板料，沖下的部分為工件。	用於制造各種形狀的平板零件
沖孔		用模具沿封閉線沖切板料，沖下的部分為廢料。	用於沖平板件或成形件上的孔
切斷		用剪刀或模具切斷板料，切斷線不是封閉的。	多用於加工形狀簡單的平板零件
切邊		用模具將工件邊緣多餘的材料沖切下來。	主要用於立體成形件
沖槽		在板料上或成形件上沖切出窄而長的槽
剖切		把沖壓加工成的半成品切開成為兩個或數個零件。	多用於不對稱的成雙或成組沖壓之後

　　2. 成形工序：是毛坯在不被破壞的條件下產生塑性變形，形成所要求的形狀和尺寸精度的制件。 　　如表1-2所示。 　　表1-2 成形工序 　　

工序名稱	簡 圖	工序特征
彎曲		用模具將板料彎曲成一定角度的零件，或將已彎件再彎。
拉深		用模具將板料壓成任意形狀的空心件，或將空心件作進一步變形
翻邊		用模具將板料上的孔或外緣翻成直壁
脹形		用模具對空心件施加向外的徑向力，使局部直徑擴張。
縮口		用模具對空心件口部施加由外向內的徑向壓力，使局部直徑縮小。
擠壓		把毛坯放在模腔內，加壓使其從模具空隙中擠出，以成形空心或實心零件。
卷圓		把板料端部卷成接近封閉的圓頭，用以加工類似鉸鏈的零件。
擴口		在空心毛坯或管狀毛坯的某個部位上使其徑向尺寸擴大的變形方法。
校形		將工件不平的表面壓平；將已彎曲或拉深的工件壓成正確的形狀

沖壓模具介紹

　　沖壓所使用的模具稱為沖壓模具，簡稱沖模。沖模是將材料（金屬或非金屬）批量加工成所需沖件的專用工具。沖模在沖壓中至關重要，沒有符合要求的沖模，批量沖壓生產就難以進行；沒有先進的沖模，先進的沖壓工藝就無法實現。沖壓工藝與模具、沖壓設備和沖壓材料構成沖壓加工的三要素，隻有它們相互結合才能得出沖壓件。

沖壓加工優點

　　與機械加工及塑性加工的其它方法相比，沖壓加工無論在技術方面還是經濟方面都具有許多獨特的優點。主要表現如下。 　　(1) 沖壓加工的生產效率高，且操作方便，易於實現機械化與自動化。這是因為沖壓是依靠沖模和沖壓設備來完成加工，普通壓力機的行程次數為每分鐘可達幾十次，高速壓力要每分鐘可達數百次甚至千次以上，而且每次沖壓行程就可能得到一個沖件。 　　（2） 沖壓時由於模具保證瞭沖壓件的尺寸與形狀精度，且一般不破壞沖壓件的表面質量,而模具的壽命一般較長,所以沖壓的質量穩定,互換性好,具有“一模一樣”的特征。 　　（3） 沖壓可加工出尺寸范圍較大、形狀較復雜的零件，如小到鐘表的秒表，大到汽車縱梁、覆蓋件等，加上沖壓時材料的冷變形硬化效應，沖壓的強度和剛度均較高。 　　（4） 沖壓一般沒有切屑碎料生成，材料的消耗較少，且不需其它加熱設備，因而是一種省料，節能的加工方法，沖壓件的成本較低。

沖壓加工主要應用

　　由於沖壓具有如此優越性，沖壓加工在國民經濟各個領域應用范圍相當廣泛。例如，在宇航，航空，軍工，機械，農機，電子，信息，鐵道，郵電，交通，化工，醫療器具，日用電器及輕工等部門裡都有沖壓加工。不但整個產業界都用到它，而且每個人都直接與沖壓產品發生聯系。像飛機，火車，汽車，拖拉機上就有許多大，中，小型沖壓件。小轎車的車身，車架及車圈等零部件都是沖壓加工出來的。據有關調查統計，自行車，縫紉機，手錶裡有80%是沖壓件；電視機，收錄機，攝像機裡有90%是沖壓件；還有食品金屬罐殼，鋼精鍋爐，搪瓷盆碗及不銹鋼餐具，全都是使用模具的沖壓加工產品；就連電腦的硬件中也缺少不瞭沖壓件。 　　但是，沖壓加工所使用的模具一般具有專用性，有時一個復雜零件需要數套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技術要求高，是技術密集形產品。所以，隻有在沖壓件生產批量較大的情況下，沖壓加工的優點才能充分體現，從而獲得較好的經濟效益的。 　　當然，沖壓加工也存在著一些問題和缺點。主要表現在沖壓加工時產生的噪音和振動兩種公害，而且操作者的安全事故時有發生。不過，這些問題並不完全是由於沖壓加工工藝及模具本身帶來的，而主要是由於傳統的沖壓設備及落後的手工操作造成的。隨著科學技術的進步，特別是計算機技術的發展，隨著機電一體化技術的進步，這些問題一定會盡快二完善的得到解決。

沖壓加工設計原則

　　(1)設計的沖壓件必須滿足產品使用和技術性能，並能便於組裝及修配。 　　(2)設計的沖壓件必須有利於提高金屬材料的利用率，減少材料的品種和規格，盡可能降低材料的消耗。在允許的情況下采用價格低廉的材料，盡可能使零件做到無廢料及少廢料沖裁。 　　(3)設計的沖壓件必須形狀簡單，結構合理，以有利於簡化模具結構、簡化工序數量，即用最少、最簡單的沖壓工序完成整個零件的加工，減少再用其他方法加工，並有利於沖壓操作，便於組織實現機械化與自動化生產，以提高勞動生產率。 　　(4)設計的沖壓件，在保證能正常使用情況下，盡量使尺寸精度等級及表面粗糙度等級要求低一些，並有利於產品的互換，減少廢品、保證產品質量穩定。 　　(5)設計的沖壓件，應有利於盡可能使用現有設備、工藝裝備和工藝流程對其進行加工，並有利於沖模使用壽命的延長。

編輯本段沖壓加工最新技術

復合沖壓 　　本文所涉及的復合沖壓, 並不是指落料、 拉伸、 沖孔等沖壓工序的復合, 而是指沖壓工藝同其他加工工藝的復合, 譬如說沖壓與電磁成形的復合, 沖壓與冷鍛的結合, 沖壓與機械加工復合等。 　　沖壓與電磁成形的復合工藝 　　電磁成形是高速成形, 而高速成形不但可使鋁合金成形范圍得到擴展, 並且還可以使其成形性能得到提高。用復合沖壓的方法成形鋁合金覆蓋件的具體方法是: 用一套凸凹模在鋁合金覆蓋件尖角處和難成形的輪廓處裝上電磁線圈, 用電磁方法予以成形, 再用一對模具在壓力機上成形覆蓋件易成形的部分,然後將預成形件再用電磁線圈進行高速變形來完最終成形。 事實證明, 用這樣復合成形方法可以獲得用單一沖壓方法難以得到的鋁合金覆蓋件。 　　最新研究表明鎂合金是一種比強度高、 剛度好、電磁界面防護性能強的金屬, 其在電子、 汽車等行業中應用前景十分看好, 大有取代傳統的鐵合金、 鋁合金、 甚至塑膠材料的趨勢。 目前汽車上采用的鎂合金制件有儀表底板、 座椅架、 發動機蓋等, 鎂合金管類件還廣泛應用於飛機、導彈和宇飛船等尖端工業領域。但鎂合金的密排六方晶格結構決定瞭其在常溫下無法沖壓成形。現在人們研制瞭一種集加熱與成形一起的模具來沖壓成形鎂合金產品。該產品成形過程為: 在沖床滑塊下降過程中, 上模與下模夾緊對材料進行加熱, 然後再以適當運動模式進行成形。 　　此種方法也適用於在沖床內進行成形品的聯結及各種產品的復合成形。許多難成形的材料, 例如鎂合金、 鈦合金等產品, 都可用該種方法沖壓成形。由於這種沖壓要求沖床滑塊在下降過程中具有停頓的功能, 以便對材料加熱提供時間, 故人們研制一種全新概念的沖床—— —數控曲軸式伺服馬達沖床, 利用該沖床還可在沖壓模具內實現包括攻螺紋、鉚接等工序的復合加工, 從而有力地拓展瞭沖壓加工范圍, 為鎂合金在塑性加工業廣泛應用奠定瞭堅實的基礎。 　　沖壓與冷鍛的結合 　　一般板料沖壓僅能成形等壁厚的零件, 用變薄拉伸的方法最多能獲得厚底薄壁零件, 沖壓成形局限性限制瞭其應用范圍。而在汽車零件生產中常遇到一些薄壁但卻不等厚的零件 , 用單一的沖壓與冷鍛相結合的復合塑性成形方法加以成形, 顯得很容易, 因此, 用沖壓與冷鍛相結合的方法就能擴展板料加工范圍。 其方法是先用沖壓方法預成形, 再用冷鍛方法終成形。用沖壓冷鍛復合塑性成形, 其優點為: 一是原材料容易廉價采購, 可以降低生產成本; 二是降低單一冷鍛所需的大成形力, 有利於提高模具壽命。

微細沖壓

　　現在所談論的微細加工指的是微零件加工技術。微零件的界定通常指的是至少有某一方向的尺寸小於 100μ m, 它比常規的制造技術有著無可比擬的應用前景。用該技術制作的微型機器人、微型飛機、 微型衛星、 衛星陀螺、 微型泵、 微型儀器儀表、 微型傳感器、 集成電路等等, 在現代科學技術許多領都有著出色的應用, 他能給許多領域帶來新的拓展和突破, 無疑將對我國未來的科技和國防事業有著深遠的影響, 對世界科技發展的推動作用也是難以估量的。 譬如微型機器人可完成光導纖維的引線、 粘接、 對接等復雜操作和細小管道、 電路的檢測, 還可以進行集成芯片生產、 裝配等等, 僅此就不難窺見微細加工誘人的魅力。 　　發達工業國傢對微細加工的研究開發十分重視, 投入瞭大量的人力、 物力、 財力, 一些有遠見的著名大學和公司也加入瞭這一行列。我國在這方面也做瞭大量的研究工作, 有理由認為在 21 世紀, 微細加工一定會像微電子技術一樣, 給整個世界帶來巨大的變化和深刻的影響。 　　對於模具工業, 由於沖壓零件的微型化及精度要求的不斷提高, 給模具技術提出瞭更高的要求。原因是微零件比傳統的零件成形要困難得多, 其理由是: ①零件越小, 表面積與體積比迅速增大; ②工件與工具間的粘著力, 表面張力等顯著增大; ③晶粒尺度的影響顯著, 不再是各向同性的均勻連續體; ④工件表面存儲潤滑劑相對困難。 微細沖壓的一個重要方面是沖小孔, 譬如微型機械、 微型儀器儀表中就有很多需要沖壓的小孔。 故研究小孔沖壓應是微細沖壓的一個極其重要的問題。沖小孔的研究著重於: 一是如何減小沖床尺寸;二是如何增大微小凸模的強度和剛度 (這方面除瞭涉及到制作的材料及加工的技術外, 最常用的便是增加微小凸模的導向及保護等)。 盡管在沖小孔上需要研究的問題還很多, 但也取得瞭不少可喜的成績。有資料表明國外已經開發的微沖壓機床長 111mm,寬 62mm, 高 170mm,裝有一個交流伺服電機, 可產生 3kN的壓力。該壓力機床裝有連續沖壓模, 能實現沖裁和彎曲等。 　　日本東京大學利用一種 WFDG技術制作瞭微沖壓加工的沖頭與沖模, 利用該模具進行微細沖壓, 可在 50μ m厚的聚酰胺塑料板上沖出寬為 40μ m的非圓截面微孔。在超薄壁金屬筒形件拉深方面, 清華大學有瞭良好的開端。超薄壁拉深技術的關鍵是要有高精度的成形機。 他們在壁厚為 0.001mm～ 0.1mm的超薄壁金屬圓筒成形中, 研制出一臺有微機控制功能的精密成形試驗機, 使沖頭與凹模在加工過程中對中精度達到 1μ m, 有效地解決瞭超薄壁拉深中易出現起皺與斷裂而不能正常操作的難題。利用該機對初始壁厚為 0.3mm 的黃銅和純鋁進行一系列變薄拉深加工, 加工出內徑為 16mm, 壁厚為 0.015mm～0.08mm,長度為 30mm的一系列超薄壁金屬圓筒。 經檢測, 成形後的超薄壁筒壁厚差小於 2μ m, 表面粗糙度 Ra0.057μ m, 從而大大地提升瞭應用該超薄壁圓筒儀器儀表的精度, 相應地也提升瞭安裝該儀器儀表整機的性能。

智能化沖壓

　　板料沖壓從手工操作到半機械化、 機械化、 自動化操作, 均是沖壓發展到每個階段的標志, 而今板料沖壓又進入到瞭智能化階段, 因此, 可以說智能化沖壓是板料沖壓技術發展的必然趨勢。板料成形智能化研究起源於 20 世紀 80 年代初的美國, 繼後, 日本塑性加工界也開始板料智能化研究。該項技術研究之初的十餘年間, 全部力量集中於彎曲回彈的成形控制, 直至 1990 年後該項技術的研究才擴展到筒形零件的拉深變形, 進而再擴展至汽車覆蓋件成形、 級進模智能成形等。所謂智能化沖壓, 乃是控制論、 信息論、 數理邏輯、 優化理論、 計算機科學與板料成形理論有機相結合而產生的綜合性技術。板料智能化是沖壓成形過程自動化及柔性化加工系統等新技術的更高階段。其令人贊嘆之處是能根據被加工對象的特性, 利用易於監控的物理量, 在線識別材料的性能參數和預測最優的工藝參數, 並自動以最優的工藝參數完成板料的沖壓。這就是典型的板料成形智能化控制的四要素: 實時監控、 在線識別、 在線預測、 實時控制加工。 智能沖壓從某種意義上說, 其實是人們對沖壓本質認識的一次革命。它避開瞭過去那種對沖壓原理的無止境探求, 轉而模擬人腦來處理那些在沖壓中實實在在發生的事情。 它不是從基本原理出發, 而是以事實和數據作為依據, 來實現對過程的優化控制。智能化控制的當然是最優的工藝參數, 故最優的工藝參數確定是智能化控制的關鍵所在。所謂最優工藝參數, 就是在滿足各種臨界條件的前提下所能夠采用的最為合理的工藝參數。要實現最優的工藝參數的在線預測, 就必須對成形過程的各種臨界條件有明確的認識, 並能夠給出定量的準確描述, 在此基礎上才能夠確定智能化的控制。而定量描述的精度又決定著智能化系統的識別精度和預測精度。 這就表明系統的識別精度、預測精度和控制精度均依賴於定量描述精度的提高, 故要不斷予以修改、 提高。且檢測精度、 識別精度、 預測精度和監控精度系統本身也要不斷完善提高。 這樣, 智能化沖壓才能達到應有的水平。有關研究表明在拉深過程的智能化控制中, 最優工藝參數的預測最終歸結為壓邊力變化規律的確定, 而壓邊力的控制又基於壓邊力的預測研究。 預測拉深成形壓邊力的傳統方法主要有兩種: 實驗法和理論計算法。近年來又把人工神經網絡和模糊論等人工智能理論引入壓邊力最佳控制曲線的預測研究中, 目前變壓邊力控制技術已成為學術界和工業界的一個研究熱點。而壓邊力變化規律的理論根據就是確定起皺或破裂的臨界條件, 可見拉深中法蘭起皺和破裂的臨界條件的正確確定不可不重視。進一步研究還表明, 對錐形件拉深而言, 法蘭起皺區幾乎被側壁起皺區所包圍, 故克服瞭側壁起皺同時也就克服瞭法蘭起皺, 所以對錐形件拉深來說, 其主要矛盾集中於工件破裂和側壁起皺。故其壓邊力大小范圍要控制在側壁不起皺(最小極限)和側壁不破裂最大極限)之間。

綠色沖壓

　　綠色制造是一個綜合考慮環境影響與資源效率的現代制造模式, 而綠色沖壓亦是如此, 實質上就是人類可持續發展戰略在現代沖壓中的具體體現。它應包括在模具設計, 制造、 維修及生產應用等各個方面。 　　1、綠色設計 所謂綠色設計即在模具設計階段就將環境保護和減小資源消耗等措施納入產品設計中, 將可拆卸性、 可回收性、 可制造性等作為設計目標並行考慮並保證產品功能、 質量壽命和經濟性。隨著模具工業的發展, 對金屬板料成形質量和 模具設計效率要求越來越高, 傳統的基於經驗的設計方法已無法適應現代工業的發展。 近年來, 用有限元法對板料成形過程進行計算機數值模擬, 是模具設計領域的一場革命。用計算機數值模擬能獲得成形過程中工件的位移、 應力和應變分佈。 通過觀察位移後工件變形形狀能預測可能發生的起皺; 根椐離散點上的主應變值在板料成形極限曲線上的位置或利用損傷力學模型進行分析, 可以預測成形過程中可能發生的破裂; 將工件所受外力或被切除部分的約束力解除, 可對回彈過程進行仿真, 得到工件回彈後的形狀和殘餘應力的分佈。 這一切, 就為優化沖壓工藝和模具設計提供瞭科學依據, 是真正意義上的綠色模具設計。 　　2 綠色制造 在模具制造中, 應采用綠色制造。 現在有一種激光再制造技術, 它是以適當的合金粉末為材料, 在具有零件原形 CAD/CAM軟件支持下, 采用計算機控制激光頭修復模具。具體過程是當送粉機和加工機床按指定空間軌跡運動, 光束輻射與粉末輸送同步,使修復部位逐步熔敷, 最後生成與原形零件近似的三維體, 且其性能可以達到甚至超過原基材水平, 這種方法在沖模修復尤其是在覆蓋件沖模修復中用途最廣。 由於該項技術不以消耗大量自然資源為目標,故稱為綠色制造。 此外, 在沖壓生產中應盡量減少沖壓工藝廢料及結構廢料, 最大限度地利用材料和最低限度地產生廢棄物。減少工藝廢料, 就是通過優化排樣來解決, 例如采用對排、 交叉排樣等方法, 還可以采用少無廢料排樣方法, 以大幅度提高材料利用率。 所謂優化排樣就是要解決兩個問題: 一是如何將它表示成數學模型; 二是如何根據數學模型盡快求出最優解,其關鍵就是算法問題。現代優化技術已發展到智能優化算法, 主要包括人工神經網絡、 遺傳算法、 模擬退火、 禁忌搜索等。 可以相信優化排樣將會有一個突破性進展, 對結構廢料多的工件可采用套裁方法, 從而能達到廢物利用, 變廢為寶。 　　此外, 還可以通過改產品結構的方法來加以解決也不是完全不可能的。對於套裁, 人人皆知的有大墊片套裁中墊片, 中墊片再套裁小墊片等。